DE19813180A1

DE19813180A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stegwellenleiters in III-V-Verbindungshalbleiter-Schichtstrukturen und Halbleiterlaservorrichtung besonders für niedere Serienwiderstände

Info

Publication number: DE19813180A1
Application number: DE1998113180
Authority: DE
Inventors: Alfred Lell; Siegmar Kugler; Norbert Stath; Reimund Oberschmid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 1999-10-07
Also published as: WO1999049544A1; EP1074076A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Stegwellenleiters in III-V-Verbindungshalbleiter-Schichtstrukturen, mit den Schritten: Fertigen einer auf einem Halbleiter-Substrat (2) insbesondere durch epitaktisches Aufwachsen ausgebildeten Grundstruktur mit einer ersten Mantelschicht (3), einer auf der ersten Mantelschicht (3) abgeschiedenen aktiven Zone (4) bestehend aus einheitlichem Material oder aus einer Wechselfolge von Quantentöpfen und Barrieren, einer auf der aktiven Zone (4) abgeschiedenen zweiten Mantelschicht (5) und einer auf der zweiten Mantelschicht (5) abgeschiedenen Kontaktschicht (6); ganzflächiges Abscheiden und Strukturieren einer Grabenmaske (13) zur Festlegung eines Grabenbereichs (14), der etwa die zwanzigfache Breite eines nachfolgend in der Mitte des Grabenbereichs (14) aus der zweiten Mantelschicht (5) und der Kontaktschicht (6) zu erzeugenden Steges (7) besitzt; Einbringen zusätzlicher Dotieratome in die Kontaktschicht (6) und/oder Aktivieren der zusätzlich eingebrachten oder der breits vorhandenen Dotieratome; Ausbilden einer im wesentlichen streifenförmigen Stegmaske (15) innerhalb des Grabenbereichs (14); selektives Ätzen der zweiten Mantelschicht (5) und der Kontaktschicht (6) unter Verwendung der Grabenmaske (13) und der Stegmaske (15) als Abdeckmasken zur Ausbildung des Steges (7) des Stegwellenleiters innerhalb des Grabenbereiches (14); im wesentlichen kantenkonformes Abscheiden einer Passivierungsschicht (9) aus ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Stegwellenleiters in III-V-Verbindungshalbleiter- Schichtstrukturen und eine Halbleiterlaservorrichtung, insbe sondere eine sogenannte Ridge-waveguide-Laservorrichtung auf der Basis von III-V-Halbleitermaterialien.

Halbleiterlaserdioden finden mittlerweile einen breiten An wendungsbereich insbesondere auch in informationsverarbeiten den Systemen. Aufgrund ihrer kompakten Größe und zum Teil auch wegen der zu den verwendeten Schaltkreisen und weiteren opto elektronischen Elementen kompatiblen Technologie werden Halb leiterlaserdioden insbesondere in der optoelektronischen Nach richtentechnik. Im Hinblick auf den Aufbau und die Anordnung solcher Laserdioden werden derzeit unterschiedliche Typen von Laserstrukturen verwendet. Eine besonders einfach herzustel lende und zuverlässig arbeitende Laservorrichtung umfasst ei nen in einer III-V-Verbindungshalbleiter-Schichtstruktur aus gebildeten Stegwellenleiter; solche Laseranordnungen, die auch der erfindungsgemäßen Gattung zugrunde liegen, sind beispiels weise aus der EP O 450 255 A1 und aus C. Harder, P. Buchmann, H. Meier, High-Power Ridge-Waveguide AlGaAs Grin-Sch Laser Di ode, Electronics Letters, 25. September 1986, Vol. 22, No. 20, Seiten 1081 bis 1082 bekannt geworden. Bei der Herstellung derartiger selbstjustierender Wellenleiter-Laserstrukturen wird normalerweise eine einzige photolithographische Maske zur Festlegung der vollständigen Kontaktbereich- bzw. Wellenlei tersteggeometrie über den gesamten Herstellprozess zur Ferti gung des Steges verwendet. Bei der Übertragung der zunächst bei der Fertigung von Laservorrichtungen auf der Grundlage des GaAs-Systems entwickelten Fertigungsprozesse auf die Herstel lung von InP-Lasersystemen mit größeren Wellenlängen des emit tierten Lichtes ergeben sich jedoch gewisse technologische Probleme. Als besonders kritisch wird hierbei insbesondere der bei der Fertigung des Stegwellenleiters erforderliche Ätz schritt angesehen, bei dem aufgrund der stets einhergehenden unerwünschten Unterätzung an der Grenzfläche des Photolack- GaInAs- oder GaInAsP-Kontaktes die wirksame ohmsche Kontakt fläche signifikant verringert wird, was zu einem Anstieg des elektrischen Kontaktwiderstandes und damit zu einer vermehrten Erwärmung führt. Als Folge hiervon verschlechtern sich allge mein die Lasereigenschaften. Zur Vermeidung dieser technolo gisch bedingten Schwierigkeiten wird nach der EP O 450 255 A1 vorgeschlagen, eine Hilfsmaske anzuordnen, um die mit der Un terätzung einhergehenden Nachteile zu vermeiden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ge genüber dem in der EP 0 450 255 A1 aufgezeigten Fertigungs prozess technologisch insgesamt einfacheres Verfahren zur Her stellung eines Stegwellenleiters in III-V-Verbindungshalb leiter-Schichtstrukturen zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Eine insbesondere nach diesem Verfahren herstellbare Halblei terlaservorrichtung ist in Anspruch 17 angegeben.

Die gemäß §3 Abs. 2 PatG Stand der Technik bildende deutsche Patentanmeldung Nr. 196 40 420.7 bezieht sich auf einen Ridge- Waveguide-Laser auf der Basis von InGaAsP/InP mit einer Drei bein-Struktur, bei der der im Wesentlichen streifenförmige Stegwellenleiter vermittels eines nass-chemischen Ätzprozess- Schrittes innerhalb eines Grabenbereiches aus der InP- Mantelschicht und quaternärer Kontaktschicht ausgebildet wird. Der elektrische Anschluß des Steges erfolgt über eine Metalli sierungsschicht, die ganzflächig auf einer Passivierungs schicht abgeschieden wird, wobei die Passivierungsschicht aus elektrisch isolierendem Material die Dreibein-Struktur mit Ausnahme der Oberseite des Steges überdeckt.

Dieses Verfahren verzichtet ganz auf Trockenätzschritte, z. B. mittels Ionenätzverfahren, und kann mit weniger naßchemischen Ätzschritten als die bis dahin bekannten Verfahren durchge führt werden. Erkauft wurde dies mit höheren Anforderungen an die Epitaxiestrukturen, besonders Feinheiten der Schichtüber gangsformen, mit einer Unsicherheit der Stegbreite und mit ei nem höheren Serienwiderstand Rs der Halbleiterlaserstrukturen gegenüber den bisher bekannten Verfahren. Die Unsicherheit der Stegbreite hat sich als praktisch tragbar erwiesen (es gibt hier eine Unsicherheit der Fototechnikmaske in der Größenord nung von fast ± 0,6 µm; die zusätzliche Ätzunsicherheit bei nur naßchemischen Ätzverfahren von etwa ± 0,4 µm scheint bis her verhältnismäßig tragbar). Kritischer hat sich aber der eindeutig höhere Serienwiderstand herausgestellt. Bei einer gegebenen beispielhaften 1,3 µm-Wellenlänge-InGaAsP- Halbleiterlaserstruktur mit 3 µm Stegbreite und 300 µm Resona torlänge ist der Serienwiderstand normalerweise etwa 3 Ohm ± 0,5 Ohm. Die Anwendung des Verfahrens gemäß der deutschen Pa tentanmeldung Nr. 196 40 420.7 zeigte jedoch eine weit über das übliche hinausgehende Instabilität der Serienwiderstände. Es wurden Serienwiderstandswerte mit einer sehr breiten Ver teilung zwischen etwa 3,5 Ohm und bis zu 20 Ohm gemessen, die damit deutlich über der Toleranzgrenze lagen. Die damit ver bundenen Ausbeuteverluste hätten sich - zusätzlich verbunden mit dem Zwang, sehr sorgfältig den Serienwiderstand noch im Chipzustand zu messen, - auf die Dauer als nicht akzeptabel erwiesen.

Als Ursache des hohen Serienwiderstandes stellte sich ein re lativ hoher Kontaktwiderstand zwischen dem Anodenmetallkontakt und dem Halbleiter heraus. Um den Kontaktwiderstand zu verrin gern, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entweder zu sätzliche Dotieratome in die Kontaktschicht durch Diffusion oder Implantation eingebracht und/oder es werden die bereits vorhandenen Dotieratome durch eine Temperung oder einen Lase blitz aktiviert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich somit durch fol gende Fertigungsschritte in der angegebenen Reihenfolge aus:
Fertigen einer auf einem Halbleiter-Substrat, insbesondere durch epitaktisches Aufwachsen, ausgebildeten Grundstruktur mit einer ersten Mantelschicht, einer auf der ersten Mantel schicht abgeschiedenen aktiven Zone bestehend aus einheitli chem Material oder aus einer Wechsel folge von Quantentöpfen und Barrieren, einer auf der aktiven Zone abgeschiedenen zwei ten Mantelschicht und einer auf der zweiten Mantelschicht ab geschiedenen Kontaktschicht; ganzflächiges Abscheiden und Strukturieren einer Grabenmaske zur Festlegung eines Graben bereichs, der eine vielfache Breite eines nachfolgend inner halb des Grabenbereichs aus der zweiten Mantelschicht und der Kontaktschicht zu erzeugenden Steges besitzt; Einbringen zu sätzlicher Dotieratome in die Kontaktschicht und/oder Aktivie ren der bereits vorhandenen Dotieratome der Kontaktschicht; Ausbilden einer im Wesentlichen streifenförmigen Stegmaske in nerhalb des Grabenbereichs; selektives Ätzen der Kontakt schicht und der zweiten Mantelschicht unter Verwendung der Grabenmaske und der Stegmaske als Abdeckmasken zur Ausbildung des Steges des Stegwellenleiters bei gleichzeitiger Ausbildung eines Grabens innerhalb des Grabenbereiches; im Wesentlichen kantenkonformes Abscheiden einer Passivierungsschicht aus elektrisch isolierendem Material; Abheben des auf der Stegmas ke abgeschiedenen Materials der Passivierungsschicht durch Entfernen des unterliegenden Maskenmaterials der Stegmaske; und Abscheiden einer Metallisierungsschicht für den elektri schen Anschluss des Steges.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Dotieren der Kontakt schicht durch Eindiffundieren der Dotieratome.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsge mäßen Verfahrens erfolgt das Ätzen der Kontaktschicht und der zweiten Mantelschicht in zwei voneinander getrennten Ätz schritten mit unterschiedlichen Ätzlösungen, wobei die Ätzung der jeweiligen Schicht selektiv gegenüber dem jeweils unter liegenden Material durchgeführt wird. Beim nass-chemischen Ät zen der Kontaktschicht wird das von der Stegmaske abgedeckte Material unterätzt. Des Weiteren wird zur nass-chemischen Ät zung der Kontaktschicht eine Schwefelsäure-Wasserstoffperoxid- Wasser-Ätzlösung und zur nass-chemischen Ätzung der zweiten Mantelschicht eine Phosphorsäure-Salzsäure-Ätzlösung verwen det. Bei der Ätzung der zweiten Mantelschicht erfolgt keine Unterätzung gegenüber der als Ätzmaske wirkenden, strukturier ten Kontaktschicht. Sämtliche nass-chemische Ätzvorgänge kom men in vertikaler Richtung an der der zu ätzenden-Schicht un mittelbar folgenden Grenzschicht aufgrund der materialspezifi schen Selektivität der Ätzlösungen zu stehen. Die Flankenwin kel der Kontaktschicht werden eindeutig durch die kristallo graphisch bedingten Eigenschaften des Kontaktschichtmaterials vorgegeben bzw. bestimmt. Durch die Stegmaske wird in einem selbstjustierenden Prozess die Stegposition innerhalb des Gra bens festgelegt, bezüglich der Breite des Steges aber ledig lich der maximale Wert vorbestimmt.

In einem ersten nass-chemischen Ätzschritt an der Kontakt schicht wird über das Ausmaß der lateralen Unterätzung der Stegmaske die Breite des entstehenden Wellenleitersteges fest gelegt. Der stehenbleibende stegförmige Rest der Kontakt schicht wirkt wegen der Selektivität des Ätzangriffs zur zwei ten Mantelschicht bei dem zweiten Ätzschritt als ideales Mas kenmaterial: anschließend an die Kontaktschicht-/Mantel schichtgrenzfläche bildet sich im Material der zweiten Man telschicht ein kristallographisch vorgegebener Flankenwinkel aus, der auch bei überlangen Ätzzeiten unverändert bleibt. Von Vorteil kann sich daher der aus der zweiten Mantelschicht her ausgebildete Teil des Steges bündig an den stehengebliebenen Teil der Kontaktschicht anschließen.

Gegenüber dem bisherigen Verfahren zur Herstellung einer so genannten Ridge-Waveguide-Laservorrichtung mit einem Wellen leitersteg auf der Basis der Materialien InGaAsP/InP besitzt die erfindungsgemäße Lösung einer auf rein nass-chemisch er zeugten Dreibein-Anordnung der Laservorrichtung unter anderem folgende Vorteile:

- Die nach dem Stand der Technik an sich als unerwünscht be zeichnete Unterätzung bei der Fertigung des Wellenleiter steges wird erfindungsgemäße gezielt im Sinne einer einfa cheren Fertigung im Wege des nass-chemischen Ätzens ausge nutzt; das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine Strukturierung der technologisch besonders kritischen Struk turen allein durch nass-chemische Ätzschritte. Auf diese Weise gelingt es, in einem relativ einfach durchzuführenden Arbeitsschritt, den etwa 2 bis 3 µm breiten und etwa 1,5 bis 2 µm hohen Wellenleitersteg geometrisch möglichst regelmäßig zu fertigen, um auf diese Weise letztlich zu einer möglichst glatten Linearität der Laserkennlinie (abgestrahlte Leistung (in mW) - eingespeister Laserstrom (in mA)) als Kennzeichen der gewünschten optoelektronischen Eigenschaften des Lasers zu gelangen. Sonach gelingt es, Nichtlinearitäten, sogenann te "Kinks" (Knicke) in der Laserkennlinie, die unter ande rem auch von geometrischen Unregelmäßigkeiten des Wellenlei tersteges stammen können, auf technologisch saubere Weise bei der Fertigung des Lasers zu vermeiden.
- Im Gegensatz zu den bisher bekannten Herstellungsverfahren ist bei der erfindungsgemäßen Lösung eine Oxidüberformung (Passivierungsschicht) erforderlich, die in einem einzigen Arbeitsschritt ausgebildet wird.
- Mit der erfindungsgemäßen Lösung gelingt es ferner, eine technologisch saubere Überdeckung des Wellenleitersteges mit einer Metallisierungsschicht für den späteren Stromanschluss zu gewährleisten. Hierbei wird zur elektrischen Isolation gegenüber den nicht anzuschließenden Schichten die Passivie rungsschicht kantenkonform und voll flächig abgeschieden, wo bei dafür Sorge getragen ist, daß für den nachfolgenden Ab hebeschritt definierte Abhebekanten an den gewünschten Stel len zur Verfügung stehen, damit das zur Abhebung eingesetzte Lösungsmittel in die übrigbleibende Photolackschicht ein dringen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt nur noch einen einzigen Abhebeschritt, der zudem ohne mechani sche Unterstützung erfolgreich durchgeführt werden kann.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsge mäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß zur nass-chemischen Ät zung der Kontaktschicht eine Schwefelsäure-Wasserstoffperoxid- Wasser-Ätzlösung verwendet wird. In besonders vorteilhafter Weise liegt hierbei die in der Ätzlösung verwendete Schwefel säure in nicht konzentrierter Form vor. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Ätzlösungen für diesen Einsatzbereich wird anstelle einer konzentrierten Schwefelsäure wie bislang eine mit Wasser verdünnte Schwefelsäure verwendet, wobei das Schwe felsäure-Wasser-Verhältnis voreingestellt ist, und darüber hinaus eine nur geringe Konzentration des Oxidationsmittels Wasserstoffperoxid vorgesehen ist. Aufgrund der vorgeschlage nen Zusammensetzung der Ätzlösung werden zum Einen die im Hin blick auf die entstehende Hydratationswärme und damit zusam menhängend eintretenden thermischen Zersetzungen insbesondere des Wasserstoffperoxidanteils einhergehenden Nachteile vermie den, und zum Anderen bleiben die günstigen chemischen und phy sikalischen Eigenschaften einer Ätzlösung mit hohem Schwefel säuregehalt erhalten. Erfindungsgemäß wird die Ätzaktivität der Ätzlösung an arsenhaltigen Schichten durch den variablen Wasserstoffperoxidanteil bestimmt.

Hierdurch bedingt ergeben sich für nass-chemische Ätzlösungen im angegebenen Anwendungsbereich völlig neuartige Eigenschaf ten:

- Die Maskenunterätzung kann unabhängig von Unterschieden in der Maskenhaftung erfolgen und ist daher auch für lokal ge störte Oberflächen erfolgreich durchzuführen. Der Einsatz spezieller Prozess-Schritte oder Maskentechnologien zur Ver besserung der Adhäsion des Maskenmaterials kann entfallen.
- Unter der Voraussetzung chemischer Homogenität des Schicht materials läßt sich eine kontrollierte, lateral extrem gleichmäßige Ätzwirkung erzielen, die nicht einmal durch me chanisch-physikalische Einflüsse wie etwa Kratzer oder der gleichen zu stören ist (die vertikale Gleichmäßigkeit der Ätzung ist durch die vorhandene Selektivität gegenüber che misch heterogenen Schichtsystemen vieler III-V-Halblei terbauelemente ohnehin gegeben)
- Eine Unterätzung als meist unvermeidbare Begleiterscheinung herkömmlicher nass-chemischer Ätzverfahren wird nach der Er findung zu einem gezielt nutzbaren Effekt. So können bei spielsweise komplizierte Verfahrenstechniken für Abhebepro zesse überflüssig gemacht werden.
- Bedingt durch die Eliminierung des Einflusses nicht oder nur äußerst schwer kontrollierbarer Parameter auf das Ausmaß der Unterätzung kann dieser im allgemeinen unerwünschte Beglei teffekt bei der nass-chemischen Ätzung gezielt genutzt wer den.
- Außerdem ermöglicht die gezielt eingesetzte Unterätzung eine optimale Vereinbarkeit bei der Kombination der Prozess anforderungen hinsichtlich einer möglichst kantenüberdecken den Passivierung in Verbindung mit einer einfach, aber zu verlässig durchzuführenden Abhebetechnik.

Die genannten vorteilhaften Merkmale der Ätzwirkung bei der Ätzung der Kontaktschicht hängen unmittelbar mit einigen der folgenden Grundeigenschaften des erfindungsgemäß bevorzugten Atzlösungssystems zusammen:

- Es liegt eine hohe Selektivität zwischen arsenhaltigen und nicht arsenhaltigen Schichten vor, das Ätzratenverhältnis beträgt demzufolge typischerweise mehr als etwa 500 : 1.
- Der geringe Wasserstoffperoxid-Volumenanteil in der Schwe felsäure-Mischung bedingt eine sehr hohe Selektivität zwi schen herkömmlichen Positiv-Lacksystemen und ätzbarem Halb leitermaterial, wobei die Zersetzung der Photolacke aufgrund des Ätzangriffs so gering ist, daß sie nur bei Ätzzeiten im Bereich von Stunden überhaupt nachweisbar wird.
- Der Wirkungsmechanismus an arsenhaltigen Schichten wird über den Wasserstoffperoxidgehalt der Lösung eindeutig bestimmt.

Die Reaktionsrate und damit zusammenhängende Eigenschaften der Ätzlösung wie beispielsweise Richtungsunabhängigkeit der Ätzrate (isotropes Ätzverhalten) können somit gezielt auf die vorliegende Anwendung abgestimmt werden.

- Die Ätzlösung kann wegen des verhältnismäßig hohen Schwe felsäuregehaltes als spezifische Reinigungslösung benutzt werden, in dem der Wasserstoffperoxidgehalt - abhängig vom zu ätzenden arsenhaltigen Schichtmaterial - auf sehr nied rige Werte gesenkt wird (beispielsweise Volumenkonzentra tionen im 0,1%-Bereich). Die Reaktionsraten sinken dabei auf nicht mehr feststellbare Werte. Im Übrigen kann die gleiche Lösung durch eine nachträgliche Wasserstoffperoxidzugabe an schließend wieder zum Ätzen benutzt werden.
- Da der Lösungsansatz ein voreingestelltes Schwefelsäu re/Wasser-Verhältnis verwendet, gibt es bei Zusatz des ge ringen Wasserstoffperoxidanteils keine merkliche Erwärmung.

Aus der fehlenden Eigenerwärmung leiten sich unmittelbar wei tere wichtige Eigenschaften der erfindungsgemäß bevorzugten Ätzlösung ab:

- Die Lösung ist sofort nach Zugabe des Wasserstoffperoxids und Durchmischung verwendbar.
- Es findet keine nachweisbare Zersetzung des durch Tempera turerhöhung besonders zersetzungsgefährdeten Wasserstoff peroxidanteils statt, da diese Substanz unter gewöhnlichen Lagerbedingungen bei Raumtemperatur stabil bleibt. Eine von selbst erzeugte störende Blasenbildung im Reaktionsmedium wird dadurch verhindert.
- Es ist durch gezielte Wasserstoffperoxid-Zugabe eine defi nierte Wasserstoffperoxid-Konzentrationseinstellung möglich.
Eine Abhängigkeit vom Herstellungs- bzw. Mischungsverfahren (beispielsweise durch Größe des Mengenansatzes oder Küh lungsbedingungen während der Mischung der Komponenten) kann nicht bestehen. Weiterhin sind Konzentrationsfehler durch Volumenausdehnungs- und Zersetzungseffekte ausgeschlossen.
- Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte Ätzlösung ermöglicht eine einfache Handhabbarkeit, da die Ätzlösung lediglich zweikomponentig und gefahrlos, d. h. - ohne Erwärmung angesetzt werden kann.
- Lange Standzeiten der Lösung in der Größenordnung bis zu 48 Stunden sind durch den Einsatz stabiler bzw. stabil gehal tener Lösungskomponenten möglich. Frische Lösungsansätze oder definierte Standzeiten sind somit keine Voraussetzung für die Reproduzierbarkeit des Ätzergebnisses.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Halbleiterlaservorrich tung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh rungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 bis 8 in schematischen Schnittansichten die Reihen folge der Prozess-Schritte eines Verfahrens zur Her stellung eines Stegwellenleiters in III-V-Ver bindungshalbleiter-Schichtstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevor die einzelnen Verfahrensschritte zur Fertigung einer er findungsgemäßen Halbleiterlaservorrichtung gemäß Ausfüh rungsbeispiel anhand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert wird, wird zunächst anhand der schematischen Darstellung nach Fig. 8 die fertiggestellte Halbleiterlaservorrichtung erläutert. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 umfasst eine Metal-Clad- Ridge-Waveguide- (MCRW-) Laservorrichtung 1 mit einer auf ei nem Halbleiter-Substrat 2 aus n-dotiertem InP insbesondere durch epitaktisches Aufwachsen ausgebildeten Grundstruktur mit einer gleichfalls aus n-dotiertem InP bestehenden ersten Man telschicht 3, einer auf der ersten Mantelschicht 3 abgeschie denen aktiven Zone 4, einer auf der aktiven Zone 4 abgeschie denen zweiten Mantelschicht 5 aus p-dotiertem InP, und einer auf der zweiten Mantelschicht 5 abgeschiedenen Kontaktschicht 6 aus p-dotiertem GaInAs. Die für die Rekombination und Lich terzeugung dienende aktive Zone 4 kann entweder aus einheitli chem Material oder aus einer Wechsel folge von Quantentöpfen und Barrieren bestehen; im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die aktive Zone 4 durch eine GaInAs-Doppel-Heterostruktur gebildet. Die aktive Zone 4 ist in an sich bekannter Weise von den ersten und zweiten Mantelschichten 3 und 5 umgeben, welche einen größeren Bandabstand als das Material der aktiven Zone besitzen, und zusammen mit einem streifenförmigen Steg 7 einen Wellenleiter bilden und die notwendige Ladungsträgereingren zung bewirken. Der Steg 7 des Stegwellenleiters ist hierbei innerhalb eines in der zweiten Mantelschicht 5 und der Kon taktschicht 6 gefertigten Grabens 8 gebildet, wobei die Breite des Grabens 8 etwa das zwanzigfache der Breite des Steges 7 besitzt. Der Steg 7 weist beispielsweise eine Breite von etwa 2 bis 3 um und eine Höhe von etwa 1,5 bis 3 um auf; die sche matische Darstellung nach Fig. 8 ist somit nicht streng maß stabsgetreu. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet eine Passivierungs schicht aus vorzugsweise A1₂O₃, welche mit Ausnahme der auf der Oberseite 10 des Steges 7 sämtliche Bestandteile der Laservor richtung 1 kantenkonform überdeckt. Darauf abgeschieden befin det sich eine Metallisierungsschicht 11 für den elektrischen Anschluss des Steges 7 an Kontaktanschlüsse und äussere Kon taktzuführungen, vermittels derer der zum Betrieb des Lasers 1 notwendige Laserstrom zugeführt wird, welche jedoch aus Grün den der Übersichtlichkeit in den Figuren nicht näher darge stellt sind. Da die Kontaktschicht 6 in einem oberflächennahen Bereich, vorzugsweise durch einen Diffusionsschritt, zusätz lich dotiert ist und/oder die vorhandenen Dotieratome durch eine Temperung oder einen Laserblitz zusätzlich elektrisch ak tiviert werden, ist der Kontaktwiderstand Halbleiter-Metall verringert.

Nachfolgend werden anhand der Fig. 1 bis 7 in dieser Rei henfolge die aufeinanderfolgenden Prozess-Schritte zur Ferti gung der erfindungsgemäßen Laservorrichtung näher erläutert, wobei in diesen Figuren aus Gründen der besseren Übersicht lichkeit das Halbleiter-Substrat 2 und die erste Mantelschicht 3 nicht mehr dargestellt sind.

Auf die anhand Fig. 8 näher erläuterte Grundstruktur mit den Schichten 3 bis 6 wird zunächst ganz flächig eine Hilfsmasken schicht 12 aus InP vorzugsweise epitaktisch abgeschieden, was zweckmäßigerweise in einem Arbeitsgang während des Epitaxie wachstums der gesamten Grundstruktur erfolgt. Die Schicht 12 besteht aus gegenüber der Kontaktschicht 6 selektiv ätzbarem Material und besitzt eine Stärke von etwa 0,2 µm. Die Hilfs maskenschicht 12 begünstigt bzw. vereinfacht die nachfolgende Fertigung des Steges 7 im Sinne einer Verringerung der Anzahl von Prozess-Schritten, und unterstützt im Übrigen die Defini tion einer sauberen Abhebekante beim abschließenden Abhebe schritt, kann jedoch auch weggelassen werden, ohne vom erfin dungsgemäßen Prinzip abzuweichen. Auf die ganzflächig abge schiedene Hilfsmaskenschicht 12 wird Photolackmaterial aufge tragen, auf herkömmliche Weise photolithographisch belichtet und zur Ausbildung einer Grabenmaske 13 strukturiert, die für die folgenden Ätzschritte den Oberflächenbereich definiert, in welchem der in der umgebenden Grundstruktur versenkte Stegwellenleiter entstehen soll. In einer nachfolgenden nass chemischen Ätzung wird zunächst die Hilfsmaskenschicht 12 an den von der Grabenmaske 13 nicht abgedeckten Stellen entfernt. Die Strukturierung der Hilfsmaske 12 ist in Fig. 1 schema tisch dargestellt.

Dann wird an der Kontaktschicht mindestens im Bereich des spä ter strukturierten Steges eines Zn-Kontaktdiffusion mittels Aufschleudern einer Zn-haltigen Al₂O₃-Aufschlämmung und an schließendem Diffusionstempern (z. B. 10 Sekunden bei 650°C) vorgenommen. Zur besseren elektrischen Aktivierung des Dotier stoffes kann noch ein zusätzlicher Temperschritt, beispiels weise für 10 Minuten bei 400°C in H₂-, N₂-, Ar-Gas oder einer Mischung hiervon angefügt werden. Die Aktivierung der Kontakt schicht kann auch in Form eines kurzen (< 100 ns) UV- Strahlungspulses einer Laserquelle (entweder zusätzlich oder ersatzweise zu den obigen Aktivierungsschritten) erfolgen. An stelle des zusätzlichen Einbringens von Dotieratomen in die Kontaktschicht kann auch versucht werden, bereits während der Epitaxie für eine genügend hohe Dotierstoffkonzentration zu sorgen und diese dann später, wie oben beschrieben, zu akti vieren.

Daran anschließend kann gemäß Fig. 2 unter Verwendung der Grabenmaske 12, 13 die Kontaktschicht 6 zur Dickenkorrektur nass-chemisch wenigstens angeätzt werden, wobei dieser Ätz schritt im Prinzip auch weggelassen werden kann.

Nachfolgend wird die bei den weiteren Schritten nicht mehr be nötigte Fotolackmaske 13 entfernt, wobei die strukturierte Schicht 12 im Folgenden die Funktion der Grabenmaske über nimmt.

Daran anschließend wird vermittels herkömmlicher Phototechnik innerhalb des Grabenbereichs 14, vorzugsweise mittig eine streifenförmige Stegmaske 15 aus Photolack ausgebildet, welche die Lage des zu ätzenden Wellenleitersteges definiert (Fig. 3).

Im nachfolgenden Prozess-Schritt wird gemäß Fig. 4 unter Ver wendung der Stegmaske 15 und der Hilfsmaskenschicht 12 als Ab deckmasken die Kontaktschicht 6 selektiv durch einen nass chemischen Prozess mit exakt definierter Stegmaskenunterätzung dahingehend geätzt, daß das Ausmaß der Unterätzung an den mit der Bezugsziffer 16 bezeichneten Stellen weder von der Haftung der Photolackmaske 15 noch von lokalen Störungen der Kontakt schicht 6, noch von mikroskopischen Ungleichmäßigkeiten der Photolackflanken 17 beeinflußt wird. Dieser Ätzprozess defi niert die oberen seitlichen Abmessungen sowie die Homogenität der Breite des entstehenden Steges und bewirkt in Folge der Maskierungswirkung der Hilfsmaskenschicht 12 im Außenbereich des Grabens eine Einbettung des Steges durch das unveränderte Epitaxie-Schichtensystem angrenzend an die in der ersten Phototechnik definierten Grabenabschnitte seitlich des Steges.

Zur nass-chemischen Ätzung der Kontaktschicht 6 wird vorzugs weise eine Schwefelsäure Wasserstoffperoxid-Wasser-Ätzlösung verwendet, wobei die Ätzung selektiv gegenüber dem Material der zweiten Mantelschicht 5 erfolgt, d. h. der Ätzvorgang kommt in vertikaler Richtung an der zu ätzenden Schicht 6 unmittel bar folgenden Grenzfläche der zweiten Mantelschicht 5 aufgrund der materialspezifischen Selektivität der Ätzlösung zum Stehen (Ätzstopwirkung der zweiten Mantelschicht 5 gegenüber der ge wählten Ätzlösung). Gleichzeitig besteht ausreichende chemi sche Selektivität der gewählten Ätzlösung gegenüber der Gra benmaske 12, so daß das Material der Hilfsmaskenschicht 12 bei der Ätzung der Kontaktschicht 6 innerhalb der Nachweisgrenze nicht angegriffen wird. Vorteilhafterweise sind die Seitenwän de der streifenförmigen Photolack-Stegmaske 15, und im Übrigen auch die Seitenwände der Grabenmaske 12 parallel zu den kri stallographischen Richtungen [011] oder [011] orientiert. Mit diesem Ätzschritt gelingt eine gleichmäßig laterale Unterät zung der Photolack-Stegmaske 15, wobei die Flankenwinkel der geätzten Kontaktschicht 6 an den mit der Bezugsziffer 15 ange deuteten Stellen eindeutig durch die kristallographisch be dingten Eigenschaften des Kontaktschichtmaterials vorgegeben bzw. bestimmt werden. Der Grad der Unterätzung der Kontakt schicht 6 an den Stellen 16 bestimmt gleichzeitig in eindeuti ger Weise die Breite des nachfolgend vervollständigten Wellen leitersteges 7. Die erfindungsgemäße von Vorteil ausgenutzte Unterätzung der Kontaktschicht 6 kann dabei so gewählt werden, daß es beim nachfolgenden Abscheiden der Passivierungsschicht 9 nicht zu einer unerwünschten Verkleinerung der ohmschen Kon taktfläche auf der Oberseite 10 des Steges kommt. Im Zuge der mehr oder weniger ausgeprägten Flankenbildung an den Stellen 16 wird effektiv die Grenzfläche zwischen der später aufge brachten Metallisierung 11 und der Kontaktschicht 6 an der Oberseite 10 vergrößert, so daß der Kontaktwiderstand letzt lich sogar geringer eingestellt werden kann.

Daran anschließend erfolgt gemäß Fig. 5 eine selektive nass chemische Ätzung der zweiten Mantelschicht 5 zur Ausformung des Stegwellenleiters mit in weiten Grenzen veränderbarer Flankenform. Hierbei wird die reproduzierbar erzielbare Steg form außer durch die festgelegte Kristallrichtung und die vor gehende Kontaktschichtätzung insbesondere durch die Ätzlösung, die Ätzzeit und die Ätztemperatur, im Hinblick auf die Tiefe des Steges unter Umständen auch durch den konkreten Aufbau der Epitaxie-Schichtenfolge bestimmt. Aufgrund einer geeignet auf einander abgestimmten Ätzlösung und Materialzusammensetzung wird bei diesem Prozess-Schritt gleichzeitig die restliche Hilfsmaskenschicht 12 im Außenbereich des Grabens entfernt. Wegen der chemischen Selektivität dieses Ätzprozesses über nimmt nach vollständiger Auflösung der Hilfsmaskenschicht 12 die noch verbleibende Kontaktschicht 6 die weitere Maskie rungsfunktion. Zur nass-chemischen Ätzung der zweiten Mantel schicht 5 wird in bevorzugter Weise eine Phosphor-Salzsäure- Lösung verwendet, wobei aufgrund der chemischen Selektivität das Material der Kontaktschicht 6 und die unterhalb der zwei ten Mantelschicht 5 angeordnete Schicht 4 von dieser Ätzlösung nicht angegriffen wird. Die Schicht 4 dient somit bei diesem Ätzschritt wiederum als Ätzstop. Bei der nass-chemischen Ät zung der zweiten Mantelschicht 5 findet keine Überätzung ge genüber der als Maske wirkenden Kontaktschicht 6 statt, so daß die im vorhergehenden Ätzschritt eingestellte Unterätzung der Kontaktschicht 6 an den Stellen 16 eindeutig die Stegbreite des Wellenleitersteges 7 bestimmt.

Daran anschließend wird gemäß Fig. 6 eine Passivierungs schicht aus A1₂0₃ ganz flächig und kantenkonform auf die sich ergebende Gesamtstruktur vermittels einem ionenstrahlgestütz ten Sputter-Prozess aufgebracht, wobei an den mit der Bezugs ziffer 16 bezeichneten Stellen technologisch sauber definier et Lücken in der Passivierungsschicht 9 verbleiben, durch die im nachfolgenden Abhebeschritt das im Abhebeprozess zum Ein satz gelangende Lösungsmittel ohne Weiteres eindringen kann.

Fig. 7 zeigt den entsprechenden Zustand nach dem Abheben des auf der Photolackoberfläche gesputterten Al₂0₃-Materials durch Auflösen des Photolacks der Stegmaske 15 in einem geeigneten Lösungsmittel unter Ausnutzung der gezielten Unterätzung des Photolacks während der vorhergehenden Kontaktschichtätzung.

In einem abschließenden Metallisierungsschritt wird gemäß Fig. 8 eine Metallisierungsschicht 11 für den elektrischen An schluss des Steges 7 aufgebracht.

Bezugszeichenliste

1

Metalclad-Ridge-Waveguide (-MCRW-) Laservorrichtung

2

Halbleiter-Substrat

3

erste Mantelschicht

4

aktive Zone

5

zweite Mantelschicht

6

Kontaktschicht

7

Steg

8

Graben

9

Passivierungsschicht

10

Oberseite

11

Metallisierungsschicht

12

Hilfsmaskenschicht

13

Grabenmaske

14

Grabenbereich

15

Stegmaske

16

Unterätzung

17

Photolackflanken

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Stegwellenleiters in III-V- Verbindungshalbleiter-Schichtstrukturen, mit den Schritten:

- Fertigen einer auf einem Halbleiter-Substrat (2) insbeson dere durch epitaktisches Aufwachsen ausgebildeten Grund struktur mit einer ersten Mantelschicht (3), einer auf der ersten Mantelschicht (3) abgeschiedenen aktiven Zone (4) bestehend aus einheitlichem Material oder aus einer Wech selfolge von Quantentöpfen und Barrieren, einer auf der ak tiven Zone (4) abgeschiedenen zweiten Mantelschicht (5) und einer auf der zweiten Mantelschicht (5) abgeschiedenen Kon taktschicht (6);
- ganzflächiges Abscheiden und Strukturieren einer Grabenmaske (12, 13) zur Festlegung eines Grabenbereiches (14), der ei ne vielfache Breite eines nachfolgend innerhalb des Gra benbereiches (14) aus der zweiten Mantelschicht (5) und der Kontaktschicht (6) zu erzeugenden Steges (7) besitzt;
- Einbringen zusätzlicher Dotieratome in die Kontaktschicht (6) und/oder Aktivieren der zusätzlich eingebrachten oder der bereits vorhandenen Dotieratome;
- Ausbilden einer im Wesentlichen streifenförmigen Stegmaske (15) innerhalb des Grabenbereichs (14);
- selektives Ätzen der Kontaktschicht (6) und der zweiten Man telschicht (5) unter Verwendung der Grabenmaske und der Stegmaske (15) als Abdeckmasken zur Ausbildung des Steges (7) des Stegwellenleiters bei gleichzeitiger Ausbildung ei nes Grabens (8) innerhalb des Grabenbereiches (14);
- im Wesentlichen kantenkonformes Abscheiden einer Passivie rungsschicht (9) aus elektrisch isolierendem Material;
- Abheben des auf der Stegmaske (15) abgeschiedenen Materials der Passivierungsschicht (9) durch Entfernen des unterlie genden Maskenmaterials der Stegmaske (15); und
- Abscheiden einer Metallisierungsschicht (11) für den elek trischen Anschluss des Steges (7).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Dotieratome durch Eindiffundieren oder Implantie ren in die Kontaktschicht (6) eingebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotieratome Zn-Atome sind und daß das Eindiffundieren durch Aufschleudern einer Zn-haltigen Al₂O₃-Aufschlämmung und an schließendes Tempern, beispielsweise für 10 Sekunden bei 650°C, durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Tempern in H₂-, N₂-, Ar-Gas oder einer Mischung hiervon, beispielsweise für 10 Minuten bei 400°C, angefügt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivieren der zusätzlich eingebrachten oder bereits vorhande nen Dotieratome mindestens teilweise durch einen UV- Strahlungspuls einer Laserquelle erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ätzen der Kontaktschicht (6) und der zweiten Mantelschicht (5) zur Ausbildung des Steges (7) des Stegwel lenleiters nass-chemisch erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der Kontaktschicht (6) und der zweiten Mantelschicht (5) in zwei voneinander getrennten Ätzschritten mit unterschiedli chen Ätzlösungen durchgeführt wird, wobei die Ätzung der je weiligen Schicht selektiv gegenüber dem jeweils unterliegenden Material durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim nass-chemischen Ätzen der Kontaktschicht (6) das von der Stegmaske (15) abgedeckte Material unterätzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß zur nass-chemischen Ätzung der Kontakt schicht (6) eine Schwefelsäure-Wasserstoffperoxid-Wasser- Ätzlösung verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß zur nass-chemischen Ätzung der zweiten Man telschicht (5) eine Phosphorsäure-Salzsäure-Ätzlösung ver wendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der Ätzung der zweiten Mantelschicht (5) keine Unterätzung gegenüber der als Ätzmaske wirkenden, struk turierten Kontaktschicht (6) erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche nass-chemische Ätz vorgänge in vertikaler Richtung an der der zu ätzenden Schicht unmittelbar folgenden Grenzschicht aufgrund der materialspezi fischen Selektivität der Ätzlösungen zu stehen kommen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Flankenwinkel der Kontaktschicht (6) eindeutig durch die kristallographisch bedingten Eigenschaften des Kontaktschichtmaterials vorgegeben bzw. bestimmt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß durch die Stegmaske (15) in einem selbst justierenden Prozess die Stegposition innerhalb des Grabens festgelegt wird, bezüglich der Breite des Steges aber ledig lich der maximale Wert vorbestimmt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Grabenmaske eine aus Halbleitermaterial bestehende Schicht aufweist und die Stegmaske (15) eine Photo lackmaske darstellt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die Orientierung der Stegmaske (15) und/oder Grabenmaske parallel zu den kristallographischen Richtungen [0111 oder roh] ausgerichtet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Passivierungsschicht (9) Al₂O₃ aufweist und vermittels einem ionenstrahlgestützten Sputterprozess- Schritt (16) ganzflächig abgeschieden wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, daß auf die Grundstruktur für die Ausbildung der Grabenmaske ganzflächig eine Hilfsmaskenschicht (12) abge schieden wird, die zur Festlegung des Grabenbereiches (14) se lektiv geätzt wird.

19. Halbleiterlaservorrichtung mit einer auf einem Halbleiter- Substrat (2) insbesondere durch epitaktisches Aufwachsen aus gebildeten Grundstruktur mit einer ersten Mantelschicht (3), einer auf der ersten Mantelschicht (3) abgeschiedenen aktiven Zone (4) bestehend aus einheitlichem Material oder aus einer Wechsel folge von Quantentöpfen und Barrieren, einer auf der aktiven Zone (4) abgeschiedenen zweiten Mantelschicht (5), und einer auf der zweiten Mantelschicht (5) abgeschiede nen Kontaktschicht (6), wobei die zweite Mantelschicht (5) und die Kontaktschicht (6) über dem laseraktiven Bereich zu einem im Wesentlichen streifenförmigen Steg (7) eines Steg wellenleiters gebildet sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß in einen oberflächennahen Bereich der Kontaktschicht (6) Dotieratome eingebracht sind;
- daß der Steg (7) des Stegwellenleiters innerhalb eines in der zweiten Mantelschicht (5) und der Kontaktschicht (6) ge fertigten Grabens (8) gebildet ist, wobei die Breite des Gra bens (8) ein Vielfaches der Breite des Steges (7) besitzt.

20. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Dotieratome durch Eindiffundieren einge bracht sind.

21. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 20, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dotieratome Zn-Atome sind und daß das Eindiffundieren durch Aufschleudern einer Zn-haltigen Al₂O₃- Aufschlämmung und anschließendem Diffusionstempern, beispiels weise für 5 Sekunden bei 560°C, durchgeführt worden ist.

22. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb des Grabenberei ches (14) liegenden Bestandteile der Kontaktschicht (6), die Seitenwände und Böden des Grabens (8), sowie die Seitenwände des aus der zweiten Mantelschicht (5) und der Kontaktschicht (6) gebildeten Steges (7) im Wesentlichen kantenkonform durch eine Passivierungsschicht (9) aus elektrisch isolierendem Ma terial überdeckt sind, und eine auf der Passivierungsschicht (9) und der von der Passivierungsschicht (9) nicht abgedeckten Oberseite (10) des Steges (7) abgeschiedene Metallisierungs schicht (11) für den elektrischen Anschluss des Steges (7) vorgesehen ist.

23. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht (9) A1₂0₃ aufweist.

24. Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Mantelschicht (5) InP aufweist, und die Kontaktschicht (6) InGaAs aufweist.